В МФТИ начали работу по созданию поляритонных нанолазеров на базе двумерных полупроводниковых нанопроводов. Этот проект открывает новые перспективы для развития интегральной и нейроморфной фотоники, а также для создания "фотонного мозга".
Одной из ключевых целей нового поколения поляритонных лазеров ученые считают разработку "поляритонного мозга" — искусственной нейронной сети, имитирующей работу биологических нейронов, связанных синапсами, на сверхвысоких скоростях благодаря световой составляющей, а также при низком энергопотреблении за счет сильной связи света с веществом.
Исследовательская команда МФТИ совместно с коллегами из Алфёровского университета приступила к созданию энергоэффективных наноразмерных когерентных оптических источников нового поколения. Планируется объединить концепции плазмонных и поляритонных лазеров, что может радикально изменить подходы в области наноразмерной когерентной фотоники — технологии, использующие когерентные световые волны, такие как лазеры, применяемые в связи, вычислительной технике и сенсорике.
Плазмонные нанолазеры, известные также как спазеры (от англ. SPASER — Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation), были впервые созданы в начале XXI века. За два десятилетия технологии их производства значительно усовершенствовались, однако для их функционирования необходимо преодолеть пороговую мощность «накачки» для достижения режима инверсной заселённости. Проще говоря, требуется подготовить систему так, чтобы она могла эффективно генерировать свет.
Поляритонные лазеры не имеют этого ограничения и основаны на бозонной конденсации экситонных поляритонов — особых квазичастиц, сочетающих свойства света и материи. В этом смысле поляритонный лазер напоминает конденсат Бозе-Эйнштейна в охлаждённых до очень низких температур атомных газах. Однако он способен функционировать при высоких температурах — вплоть до комнатной температуры.
По словам ученых, синтез двух подходов к созданию лазеров позволит устранить "бутылочное горлышко" в области интегральной фотоники, связанное с энергоэффективностью.
Проект предполагает сотрудничество специалистов из Абрикосовского центра теоретической физики и экспериментаторов из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
"Перед нами стоят задачи по отработке технологий производства первых образцов и созданию физической модели гибридных плазмон-экситон-поляритонных нанолазеров. Основные этапы включают достижение режима сильной связи, демонстрацию бозонного усиления рассеяния гибридных поляритонов и получение неравновесных бозонных конденсатов, излучающих когерентный свет. Важную роль в реализации этих целей играют двумерные полупроводники — моноатомные слои дихалькогенидов переходных металлов — обеспечивающие режим сильной связи света с веществом при комнатной температуре, что крайне важно для приложений в нанофотонике", — отметил Антон Налитов, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики имени А.А.Абрикосова.
Успешная реализация проекта откроет новые возможности для фундаментальных исследований в области поляритоники.
"В условиях лабораторных экспериментов при комнатной температуре неравновесные бозонные конденсаты поляритонов демонстрируют уникальные явления — сверхтекучесть и квантовые вихри, аналогичные вихрям Абрикосова в сверхпроводниках. Переход к наноразмерным системам с сильной связью света и вещества может стать ключом к реализации квантовых многочастичных эффектов — одной из главных целей современной поляритоники", — добавил Антон Налитов.
Проект рассчитан на три года:
- на первом этапе планируется создание физической модели и первых образцов поляритонных наноструктур;
- на втором — исследование режима сильной связи света с веществом в новых структурах;
- на третьем этапе будут изучены эффекты поляритоники, бозонное усиление рассеяния и бозонная конденсация в наноструктурах.
Поддержка проекта осуществляется грантом РНФ № 25-12-00135, сообщили в пресс-службе университета.